KR101382672B1

KR101382672B1 - 연료전지 막 모듈 제조방법

Info

Publication number: KR101382672B1
Application number: KR1020110131714A
Authority: KR
Inventors: 김현유; 권혁률
Original assignee: 기아자동차주식회사; 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2014-04-07
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: US9314744B2; CN103165919A; DE102012209846A1; KR20130065033A; US20130149634A1; JP2013122902A; JP6112784B2; CN103165919B

Abstract

본 발명은 고분자 연료전지에서 공기를 가습하는 막 가습기에 사용되는 막 모듈을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 고분자 연료전지의 막 가습기에 사용되는 막 모듈 제조시, 포팅캡 설계 변경 등을 통해 모듈 가운데 부분에 중공사막을 적게 위치시키고, 외곽으로 갈수록 중공사막을 많이 위치시키는 새로운 형태의 중공사막 모듈 제조방식을 구현함으로써, 공기블로어로부터 유입되는 건조공기를 더 많은 중공사막이 배치되어 있는 외곽쪽으로 분산시킬 수 있는 등 중공사막 전체적으로 균일한 가습성능을 유지할 수 있는 연료전지 막 모듈 제조방법을 제공한다.

Description

연료전지 막 모듈 제조방법{METHOD OF PRODUCING HOLLOW YARNMEMBRANE MODULES FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지 막 모듈 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자 연료전지에서 공기를 가습하는 막 가습기에 사용되는 막 모듈을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 고분자 연료전지의 작동을 위해서는 반드시 수분이 필요하며, 이를 위해 공급되는 공기를 가습시키는 막 가습기가 사용되고 있다.

이러한 막 가습기의 타입에는 버블러(Bubbler), 인젝션(Injection), 흡착제 등 여러 가지 방법이 있지만, 연료전지 자동차의 경우 패키지 면에 있어서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작은 막 가습기가 적용되고 있으며, 막 가습기의 경우 패키지 측면 뿐만 아니라, 특별한 동력을 필요로 하지 않는 큰 이점을 가지고 있다.

연료전지 막 가습기의 경우 주요 구성품으로는, 도 1에 도시한 바와 같이, 막 모듈(10)과 하우징(11), 그리고 매니폴드(12) 등이 있다.

상기 막 모듈(10)의 경우는 막이 밀집되어 있는 곳으로서, 여러 다발의 중공사막이 막 모듈 안에 밀집되어 있는 형태로 이루어져 있다.

이러한 막 모듈의 제작은 다음과 같은 공정으로 이루어진다.

도 2에 도시한 바와 같이, 먼저 케이스(13)를 제작한 후, 상기 케이스(13)의 한 쪽에 포팅캡(14)을 씌운 다음, 안에 원하는 가닥수 만큼의 중공사막(15)을 넣는다.

그런 후, 여러 다발의 중공사막(15)을 케이스(13)에 고정시키기 위해 양 쪽 끝단 부분에 고분자 물질(16)을 주입하여 고정시킨다.

이 공정을 포팅(Potting) 공정이라고 부른다.

포팅의 경우, 사용되는 고분자 물질로는 주로 우레탄 계통의 물질이 사용되며, 포팅법은 다음과 같다.

포팅법의 경우 중력을 이용하는 것으로서, 레진주입구를 통하여 고분자 물질을 주입한 후, 중력에 의해 고분자 물질이 밀집된 막 사이로 침투하여 막 다발을 고정시키는 방법이다.

그리고, 포팅 후, 고분자 물질을 건조시키고, 마지막으로 커팅 디바이스를 이용하여 포팅된 부분을 잘라내면 원하는 막 모듈을 얻을 수 있다.

최종적으로 막 모듈의 양쪽에 하우징을 끼우면 원하는 연료전지용 막 가습기를 얻을 수 있다.

그러나, 종래 기술 가습기의 경우, 하나의 큰 모듈로서 그 안에 여러 다발의 중공사막이 수납된다.

하지만, 하나의 큰 모듈에 여러 다발의 중공사막이 수납되어짐으로 인하여, 모듈 제조시 중공사막이 균일하게 분포되어지지 않고, 한 쪽으로 쏠리는 등 중공사막이 불균일하게 분포되어 제작되어지는 경우가 많다(도 3).

도 4는 일반적인 막 가습기의 구성을 나타내는 개략도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 상기 막 가습기는 하우징(11)을 가지고 있으며, 상기 하우징(11)에는 건조 공기를 도입하는 제1유입구(17) 및 건조 공기를 배출하는 제1유출구(18)가 형성되어 있고, 하우징(11)의 내부에 막 모듈(10)이 배치되어 있다.

그리고, 막 모듈(10)의 내부에 다수의 중공사막(15)이 수납되어 있다.

이처럼 구성되는 중공사막을 이용한 막 가습기에 있어서, 제2유입구(19)로부터 습윤 공기를 공급하고, 각 중공사막(15)의 외부를 통과시키면 습윤 공기 중의 수분은 중공사막(15)의 모세관 작용에 의해 분리되는 동시에 이렇게 분리된 수분은 중공사막(15)의 모세관 내를 투과하고 응축되어 중공사막(15)의 내측으로 이동한다.

그리고, 수분을 분리시킨 습윤 공기는 그대로 중공사막(15)의 외부로 이동하여 제2유출구(20)를 통해 배출된다.

한편, 제1유입구(17)로부터는 건조 공기가 공급되는데, 제1유입구(17)로부터 공급되는 건조 공기는 중공사막(15)의 내측을 통하여 이동한다.

그리고, 이때 습윤 공기로부터 분리시킨 수분이 중공사막(15)의 내측으로 이동하여 이 수분에 의해 건조 공기가 가습되고, 이렇게 가습된 건조 공기는 제1유출구(18)를 통해 배출되어 스택측으로 공급된다.

종래의 막 가습기의 경우, 습윤 공기가 제1유입구를 통해 하우징 안으로 들어와 중공사막에 수분을 공급하고 제2배출구를 통해 배출된다.

하지만, 막 모듈의 경우에 중공사막이 밀집된 컴팩트한 형태로 되어 있기 때문에 제2유입구를 통해 유입된 습윤 공기가 막 모듈의 내부로 침투하는데 어려움이 있다.

그리고, 습윤 공기가 확산하는 속도도 대단히 느리기 때문에 더욱더 큰 어려움이 있다.

이 때문에 하우징에 수납되는 막 모듈에 있어서 막 모듈의 외측을 통과하는 습윤 공기는 하우징 내에서 막 모듈의 내부로 침투하지 못하고 주로 가장자리로 흐르게 된다.

그리고, 내부로 확산되는 속도가 대단히 느리기 때문에 가습 효율에 있어서 큰 영향을 미친다.

따라서, 막 모듈에서 모듈 내부는 충분한 수분을 공급받지 못하게 된다.

결국, 이러한 이유로 인하여 막 가습기의 전체적인 효율이 떨어지게 된다.

또한, 종래의 막 가습기의 경우 제1유입구를 통하여 유입되는 건조 공기가 주로 막 모듈의 중앙부분으로 많이 흐르기 때문에 더욱더 전체적인 막 가습기의 효율은 떨어진다고 할 수 있다.

이는 도 5에 시뮬레이션 실험 결과로 나타나 있다.

도 5를 보면, 건조 공기가 대부분 막 모듈의 중앙부분으로만 흐르는 것을 확실히 알 수 있다.

즉, 제1유입구를 통하여 유입되는 건조 공기는 막 모듈의 중앙부분(노란색으로 표시된 부분)으로 주로 흐르고, 제2유입구를 통하여 유입되는 습윤 공기는 막 모듈의 가장자리 부분으로 흐르다 보니 막 가습기의 효율에 있어서 문제가 발생하고 있다.

가격면에서 볼 때 막 가습기에 있어서 가장 큰 비중을 차지하는 것은 고분자 물질로 이루어진 중공사막이다.

하지만, 막 가습기의 경우에 위에서 말한 것과 같이 가습 효율이 좋지 않기 때문에 현재는 가습 성능을 좋게 하기 위해 필요 이상으로 많은 중공사막의 다발을 사용하고 있다.

따라서, 막 가습기의 가격은 고가이며 또한 많은 중곡사막의 다발이 사용되다 보니 막 가습기의 크기 또한 성능에 비해 크다는 문제점을 가지고 있어 연료전지차량 패키지에 있어 큰 어려움이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국 공개특허 10-2010-0125553호 및 한국 공개특허 10-2010-0100325호에 개시되어 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 고분자 연료전지의 막 가습기에 사용되는 막 모듈 제조시, 포팅캡 설계 변경 등을 통해 모듈 가운데 부분에 중공사막을 적게 위치시키고, 외곽으로 갈수록 중공사막을 많이 위치시키는 새로운 형태의 중공사막 모듈 제조방식을 구현함으로써, 공기블로어로부터 유입되는 건조공기를 더 많은 중공사막이 배치되어 있는 외곽쪽으로 분산시킬 수 있는 등 중공사막 전체적으로 균일한 가습성능을 유지할 수 있는 연료전지 막 모듈 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 연료전지 막 모듈 제조방법은 다음과 같은 특징이 있다.

상기 연료전지 막 모듈 제조방법은 케이스를 제작하는 단계와, 상기 케이스의 한 쪽에 포팅캡을 씌우는 단계와, 상기 케이스의 내부에 여러 다발의 중공사막을 넣는 단계와, 중공사막이 들어 있는 나머지 한 쪽에 포팅캡을 씌우는 단계와, 상기 여러 다발의 중공사막을 고정시키기 위해 케이스 내의 양 쪽 끝단 부분에 고분자 물질을 주입한 후 고분자 물질을 건조시키는 단계와, 고분자 물질 건조 후 커팅 디바이스를 이용하여 포팅된 부분을 잘라내는 단계를 기본적으로 포함하는 방법으로서, 특히 상기 포팅캡은 안쪽면에서 일정높이 돌출 형성되는 동시에 서로는 일정간격을 유지하는 직경이 다른 여러 개의 구획벽이 동심원상으로 배치되어 있는 형태로 이루어진 것을 사용함으로써, 모듈 가운데 부분에 배치되는 중공사막에 비해 외곽으로 갈수록 상대적으로 많은 중공사막이 배치되도록 하는 것이 특징이다.

여기서, 상기 포팅캡에 형성되는 구획벽 간의 간격에 있어, 최외곽에 배치되는 구획벽과 포팅캡 가장자리 사이의 간격은 그 안쪽으로 배치되는 구획벽들 간의 간격에 비해 상대적으로 넓은 간격으로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 포팅캡에 형성되는 구획벽 간의 간격에 있어, 최외곽에 배치되는 구획벽에서부터 중심쪽으로 배치되는 구획벽으로 갈수록 서로 간의 간격이 상대적으로 점차 작아지는 간격을 이루도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 포팅캡에 형성되는 구획벽 간의 간격은 구획벽의 폭(두께)을 변경하는 방식으로 간격이 달라지도록 하는, 즉 넓은 간격을 갖도록 하거나 좁은 간격을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 연료전지 막 모듈 제조방법은 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 모듈 가운데 부분에는 중공사막을 적게, 모듈 가장자리 부분에는 중공사막을 많이 배치한 형태를 적용함으로써, 건조공기의 중공사막 다발 가운데 부분으로만 흐르는 문제를 해결할 수 있으며, 이에 따라 중공사막 전체적으로 균일한 가습성능을 유지할 수 있다.

둘째, 하나의 모듈 내에서 중공사막 다발이 나누어져 수납됨으로써, 기존에 문제가 되었던 한 쪽으로 쏠리는 등의 불균일한 분포 문제를 해결할 수 있고, 가장자리 부분의 중공사막 단선 문제를 해결할 수 있다.

셋째, 막 가습기 성능 향상을 통한 중공사막 가닥수의 사용량을 줄일 수 있으므로, 기존 막 가습기 대비 가격을 낮출 수 있고, 막 가습기 사이즈도 줄일 수 있는 등 패키지 측면에 있어서 유리하다.

넷째, 막 가습기에 걸리는 압력 강하량을 낮출 수 있으며, 이를 통해 공기블로어의 부하를 낮출 수 있다.

도 1은 일반적인 연료전지 막 가습기를 나타내는 사시도
도 2는 종래의 연료전지 막 모듈 제조방법을 나타내는 개략도
도 3은 종래의 연료전지 막 모듈 제조시 중공사막이 균일하게 분산되지 못하고 한 쪽으로 쏠리는 현상을 나타내는 단면도
도 4는 종래의 연료전지 막 가습기의 내부 구조를 나타내는 단면도
도 5는 종래의 연료전지 막 가습기에서 건조 공기의 흐름에 대한 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 이미지
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 모듈 제조방법을 나타내는 개략도
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 모듈 제조방법에 사용되는 포팅캡의 일 예를 나타내는 개략도
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 모듈 제조방법에 사용되는 포팅캡의 다른 예를 나타내는 개략도
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 모듈 제조방법으로 제조한 막 모듈에서 중공사막의 분포 형태를 나타내는 단면도
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 모듈 제조방법으로 제조된 막 모듈과 종래의 제조방법으로 제조된 막 모듈을 비교한 단면도
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 모듈 제조방법에 사용되는 포팅캡의 여러 형상을 나타내는 개략도

본 발명은 포팅캡 설계 변경을 통하여 모듈 가운데 부분에 중공사막을 적게 위치시키고, 외곽으로 갈수록 중공사막을 많이 위치시키는 제조방법을 제공하며, 이렇게 포팅캡을 변경하는 제조방법을 적용함으로써, 중공사막 수납을 전체적으로 조절할 수 있다.

이럴 경우, 공기블로어로부터 유입되는 건조공기가 더 많은 중공사막이 삽입된 외곽으로 분산되어진다.

따라서, 기존의 문제점이었던 건조공기의 중공사막 다발 가운데 부분으로만 흐르는 문제를 해결할 수 있으며, 이에 따라 중공사막 전체적으로 균일한 가습성능을 유지할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 모듈 제조방법을 나타내는 개략도이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 먼저 케이스(13)를 제작한 후, 케이스(13)의 한 쪽에 소정의 구획벽(21)을 가지는 포팅캡(14)을 씌운다.

다음, 상기 케이스(13)의 내부에 원하는 가닥수 만큼의 여러 다발의 중공사막(15)을 넣는다.

다음, 중공사막(15) 삽입 후, 케이스(13)의 다른 한쪽에도 소정의 구획벽(21)을 가지는 포팅캡(14)을 씌운다.

계속해서, 케이스(13)의 내부에 들어 있는 여러 다발의 중공사막(15)을 고정시키기 위하여 케이스 내의 양 쪽 끝단 부분에 고분자 물질(16)을 주입한 후에 이를 건조시킨다.

물론, 이때의 고분자 물질의 주입은 포팅캡이나 케이스 일측의 주입구(미도시)를 통해 주입할 수 있으며, 기존의 주입방법과 동일한 방법을 사용한다.

다음, 고분자 물질(16)이 완전히 굳으면 커팅 디바이스를 이용하여 포팅된 부분, 고분자 물질(16)이 채워져 있는 부분을 잘라내는 것으로 기본적인 제조과정을 완료할 수 있게 된다.

특히, 본 발명에서는 케이스 내외측으로 배치되는 중공사막의 분포를 차별화하기 위하여 안쪽면에 소정의 형상을 이루는 구획벽(21)을 가지는 포팅캡(14)을 사용한다.

이를 위하여, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 포팅캡(14)에 형성되는 구획벽(21)은 직경이 다른 여러 개로 이루어지며, 각각의 직경이 다른 구획벽(21)들은 캡 안쪽면에서 일정높이 돌출 형성되는 동시에 서로는 소정의 간격을 유지하면서 동심원상으로 배치되어 있는 형태를 이루게 된다.

이에 따라, 케이스(13)의 내부에 삽입되는 중공사발(15)은 구획벽(21) 간의 간격 내에 배치되고, 이때의 구획벽(21) 간의 간격에 따라 모듈 내에 배치되는 중공사막(15)의 가닥수가 다르게, 예를 들면 모듈 가운데 부분은 적게, 모듈 외곽 부분은 상대적으로 많게 배치될 수 있게 된다.

그리고, 상기 구획벽(21)이 있던 자리로 인해 모듈 내에서 모듈 축선방향을 따라 나란한 형태의 중공사막 다발 간의 공간으로 남게 된다.

특히, 상기 포팅캡(14)에 형성되는 구획벽(21) 간의 간격의 경우, 최외곽에 배치되는 구획벽(21a)에서부터 중심쪽으로 배치되는 구획벽(21b,21c)으로 갈수록 서로 간의 간격이 상대적으로 점차 작아지는 간격(L₁>L₂>L₃)을 이루게 된다.

예를 들면, 상기 포팅캡(14)에 형성되는 구획벽(21) 간의 간격을 다르게 조성함에 있어서, 최외곽에 배치되는 구획벽(21a)과 포팅캡 가장자리 사이의 간격(L₁)을 상기 최외곽 구획벽(21a)의 안쪽으로 배치되는 구획벽(21b,21c)들 간의 간격(L₂,L₃)에 비해 상대적으로 넓은 간격으로 조성함으로써, 모듈 가운데 부분에는 중공사막을 적게 배치시킬 수 있고, 외곽쪽으로 갈수록 중공사막을 많이 배치시킬 수 있다.

이에 따라, 건조공기는 중공사막이 많이 배치되어 있는 외곽쪽으로 분산될 수 있게 되고, 모듈 가운데 부분에 비해 수분이 많이 응축되어 있는 외곽쪽의 중공사막에서 건조공기가 가습이 더 많이 이루어지면서, 결국 중공사막 전체적으로 균일한 가습성능을 확보할 수 있게 된다.

한편, 상기 포팅캡(14)에 있는 구획벽(21) 간의 간격을 설정하는 방법의 일 예로서, 본 발명에서는 각 구획벽(21)의 폭, 즉 두께에 차이를 두는 방법을 제공한다.

즉, 본 발명에서는 포팅캡(14)에 형성되는 구획벽(21)의 폭을 변경하여 구획벽(21) 간의 간격이 달라지도록 하는 방법을 제공한다.

예를 들면, 도 8에 도시한 바와 같이, 중심쪽에 배치되는 구획벽(21b,21c)의 폭에 비해 최외곽에 배치되는 구획벽(21a)의 폭을 상대적으로 얇게 만들어 줌으로써, 최외곽 구획벽(21a)과 포팅캡(14)의 가장자리 사이의 간격을 안쪽으로(중심쪽으로) 배치되는 구획벽(21b,21c) 간의 간격(L₂,L₃)에 비해 상대적으로 넓은 간격으로 조성할 수 있고, 결국 모듈 가운데 부분에는 중공사막을 적게 배치시킬 수 있고, 외곽쪽으로 갈수록 중공사막을 많이 배치시킬 수 있게 된다.

이러한 포팅캡(14)의 경우 다양한 형상의 구획벽(21)을 가질 수 있는데, 예를 들면 도 11에서 볼 수 있듯이 다수의 원형 구획벽과 방사상으로 연장되는 직선형 구획벽의 조합으로 이루어지는 다양한 형상의 구획벽을 가질 수 있다.

이와 같이, 보통 막 가습기의 경우, 하나의 큰 모듈로서 그 안에 여러 다발의 중공사막이 수납되어 지는데, 하지만 하나의 큰 모듈에 여러 다발의 중공사막이 수납되어짐으로 인하여, 모듈 제조시 중공사막이 균일하게 분포되어 제조되어지지 않고, 한 쪽으로 쏠리는 등 중공사막이 불균일하게 분포되어 제작되어지는 경우가 많다.

하지만, 본 발명의 방법 적용시 중공사막 다발이 나누어져 수납되어 짐으로 인하여 기준에 문제가 되었던 한 쪽으로 쏠리는 등의 불균일 분포 문제를 해결할 수 있다(도 9).

또한, 본 발명의 방법 적용을 통하여 습윤공기 및 건조공기의 분배성이 개선됨으로써, 막 활용도를 향상시킬 수 있다(도 10).

그리고, 본 발명의 방법 적용을 통하여 습윤공기의 분배성이 개선되면서 기존 분배성 불균일 문제로 인하여 발생되던 가장자리 부분의 중공사막 단선 문제를 해결할 수 있다.

또한, 본 발명의 방법 적용을 통한 가습기의 성능 향상으로 기존 막 가습기 대비 중공사막 가닥수의 사용량을 줄일 수 있다.

10 : 막 모듈 11 : 하우징
12 : 매니폴드 13 : 케이스
14 : 포팅캡 15 : 중공사막
16 : 고분자 물질 17 : 제1유입구
18 : 제1유출구 19 : 제2유입구
20 : 제2유출구 21 : 구획벽

Claims

연료전지 막 모듈 제조방법에 있어서,
케이스를 제작하는 단계;
상기 케이스의 한 쪽에 포팅캡을 씌우는 단계;
상기 케이스의 내부에 여러 다발의 중공사막을 넣는 단계;
중공사막이 들어 있는 나머지 한 쪽에 포팅캡을 씌우는 단계;
상기 여러 다발의 중공사막을 고정시키기 위해 케이스 내의 양 쪽 끝단 부분에 고분자 물질을 주입한 후 고분자 물질을 건조시키는 단계;
고분자 물질 건조 후 커팅 디바이스를 이용하여 포팅된 부분을 잘라내는 단계;
를 포함하며, 상기 포팅캡은 안쪽면에서 일정높이 돌출 형성되는 동시에 서로는 일정간격을 유지하는 직경이 다른 여러 개의 구획벽이 동심원상으로 배치되어 있는 형태로 이루어진 것을 사용하여 모듈 가운데 부분에 배치되는 중공사막에 비해 외곽으로 갈수록 상대적으로 많은 중공사막이 배치되도록 하되,
상기 포팅캡에 형성되는 구획벽 간의 간격에 있어, 최외곽에 배치되는 구획벽과 포팅캡 가장자리 사이의 간격은 그 안쪽으로 배치되는 구획벽들 간의 간격에 비해 상대적으로 넓은 간격으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 막 모듈 제조방법.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 포팅캡에 형성되는 구획벽 간의 간격에 있어, 최외곽에 배치되는 구획벽에서부터 중심쪽으로 배치되는 구획벽으로 갈수록 서로 간의 간격이 상대적으로 점차 작아지는 간격을 이루도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 막 모듈 제조방법.
청구항 1 또는 청구항 3 중에 있어서, 상기 포팅캡에 형성되는 구획벽 간의 간격은 구획벽의 폭을 변경하여 간격이 달라지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 막 모듈 제조방법.